超表面通信：信道容量、空间利用率再升级｜NSR

东南大学电磁空间科学与技术研究院及毫米波全国重点实验室程强教授和崔铁军院士课题组与移动通信全国重点实验室金石教授课题组基于各向异性时空编码超表面，提出了一种空间-频率-极化分集复用的无线通信系统。该系统能够将信息直接加载到不同极化信道和不同频率信道上，并通过彼此独立的空间信道分别对不同位置的用户进行实时的无线数据传输。相较于早期的信息超表面无线通信系统，该系统可在更高的维度上提高信道容量和空间利用率。相关成果发表于《国家科学评论》（National Science Review，NSR），第一作者为东南大学博士生柯俊臣，东南大学硕士生陈翔宇为该文的共同第一作者。

图1 基于各向异性时空编码超表面的空间-频率-极化分集复用无线通信架构

2014年，东南大学崔铁军院士及合作者首次提出数字编码和可编程超表面概念（Light: Science & Applications, 3, e218, 2014）。此后，数字可编程超表面逐步实现了对电磁波幅度、相位、极化、波前等特性的实时和动态调控，为实现低成本、高集成的无线通信技术奠定了基础。

2018年，崔铁军院士和程强教授课题组进一步提出了时空编码数字超表面的概念（NatureCommunications, 9, 4334, 2018），能在空间域和频率域实现对电磁波的更多维度调控，为基于时空编码超表面的无线通信提供了更多的调控自由度和更丰富的信号调制体制。

在这项工作中，程强和崔铁军课题组与移动通信全国重点实验室金石教授课题组提出并实现了一种基于各向异性时空编码超表面的空间-频率-极化分集复用无线通信系统，为其在多用户协同无线通信中的应用提供了新思路和新的解决方案。

首先，研究团队将两组基带信号分别转换成具有不同斜率的线性时变控制电压序列，并将它们分别应用于各向异性时空编码超表面的两个极化通道。此时，两组基带信号可被调制到不同的极化信道和频率信道上，从而实现频率-极化分集复用信号调制。随后，通过在两个极化通道的时变控制电压序列中引入不同的时间延迟梯度，可以将两个极化的谐波波束分别导向指定的方向，从而实现空间-频率-极化分集复用信号调制。

基于上述方法，研究团队分别搭建了频率-极化分集复用无线通信系统（图2）和空间-频率-极化分集复用无线通信系统（图3）。在实验中，系统可以独立、同步地将两组基带信息分别调制到相应的信道上，并能在接收端解调出对应信道的稳定基带数据。通信时系统的星座图稳定，数据传输速率可达到20 Mbps，传输结果证实了所提出系统的实用性。

图2 频率-极化分集复用无线通信系统实物图

图3 空间-频率-极化分集复用无线通信系统实物图

总之，利用各向异性时空编码超表面所搭建的空间-频率-极化分集复用无线通信系统原理简单，可将不同的基带信号直接调制到不同的信道上，从而无须复杂的射频链路，大大地简化了无线通信系统的架构。在此基础上，系统还具有较高的信道容量和空间利用率，在未来的6G移动通信中具有广阔的应用前景。